CN102036338A - 一种基于数据驱动链路估计的传感器网络实时路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数据驱动链路估计的传感器网络实时路由方法，包括：步骤1，本节点感知地理位置信息，并告知给邻居节点；步骤2，数据发送时，生成数据报文和目的节点，数据报文转发时，从MAC层获取数据报文和目的节点；步骤3，计算从本节点到目的节点的距离；步骤4，计算邻居集中本节点到目的节点的距离，生成下一跳候选集；步骤5，计算本节点到下一跳候选集中节点的路径速度；步骤6，选择一节点作为下一跳节点；步骤7，将节点时钟值写入MAC层数据帧；步骤8，发送数据报文给MAC层；步骤9，更新邻居集表中对应节点的延时、投递率、能耗。本发明方法提高了网络数据传输的实时性，降低了网络的能耗。

Description

一种基于数据驱动链路估计的传感器网络实时路由方法

技术领域

本发明涉及传感器网络实时路由协议方法领域，特别是涉及一种基于数据驱动链路估计的传感器网络实时路由方法。

背景技术

无线传感器网络是一种无线自组织网络，它与传统网络相比，具有以下特点：由大量的传感器节点构成；节点由电池供电，能量、计算能力、存储空间和通信能力有限；网络拓扑变化较快。目前，无线传感器网络领域的研究内容很多，其中路由协议作为无线传感器网络的核心技术，成为国内外研究的热点。无线传感器网络路由协议负责将数据报文从源节点通过网络转发到目的节点，主要包含两个方面的功能：一是选择源节点到目的节点的优化路径，二是沿着选定的路径正确发送(或转发)数据报文。

目前对于无线传感器网络路由算法的设计，已经存在很多较成熟的解决方案，例如泛洪式算法(Flooding)、DSR(dynamic source routing)、AODV(Ad Hoc on-demand distance vector)、SPIN(sensor protocol for information via negotiation)、SAR(Sequential Assignment Routing)、定向扩散算法(Directed Diffusion，DD)、GEAR(Geographic and Energy Aware Routing)、低功耗自适应聚类路由算法(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH)、TEEN(Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol)、PEGASIS(Power-Efficient Gathering in Sensor Information System)等。

这些路由算法各有其优势和缺陷，而且针对不同的应用表现的性能也大相径庭，它们的存在为无线传感器网络路由算法的研究提供了多种思考的方向。下面，简单的介绍他们的原理。

(1)泛洪式算法

Flooding算法是一个经典、简单的传统网络路由算法，可应用到无线传感器网络中，并且不需要维护路由信息。在Flooding算法中，节点产生或收到数据后向所有邻居节点广播，数据包直到过期或到达目的地才停止传播。该算法具有严重的缺点：内爆(节点几乎同时从邻居节点收到多份相同数据)、交叠(节点先后收到监控同一区域的多个节点发送的几乎相同的数据)、资源利用率低(节点不考虑自身资源限制，在任何情况下都转发数据)。

(2)DSR

DSR是一个专门为Ad Hoc网络设计的简单且高效的路由算法。所有的路由都是由DSR路由算法动态地、自动地确定和维护，它提供快速反应式服务，以便帮助确保数据分组的成功交付，即使在节点移动或者其他网络状况变化的条件下也是如此。

DSR路由算法由两个主要机制组成——路由寻找机制和路由维护机制。路由寻找机制在源节点需要给目的节点发送一个分组并且还不知道到达目的节点的路由的时候使用。当源节点正在使用一条到达目的节点的源路由的时候，源节点使用路由维护机制可以检测出因为拓扑变化不能使用的路由，当路由维护指出一条源路由已经中断而不再起作用的时候，为了将随后的数据分组传输到目的节点，源节点能够尽力使用一条偶然获知的到达目的节点的路由，或者重新调用路由寻找机制找到一条新路由。在DSR路由算法中，路由寻找机制和路由维护机制均是完全按需操作，不需要某个网络层次的某种周期分组，如DSR不需要任何周期性的路由广播分组、链路状态探测分组。DSR路由算法的所有状态都是“软状态”，因为任何状态的丢失都不会影响DSR路由算法的正确操作，因为所有状态都是按需建立，所有状态在丢失之后，如果仍然需要的话则能够很容易得到迅速恢复。DSR路由算法的路由寻找机制和路由维护机制的操作是单向链的，不对称的路由很容易得到支持。

DSR路由算法的完整版本直接使用“源路由”，节点使用路由缓冲器存储节点所知的源路由，当发现新路由时，更新缓冲器内的条目。节点所发送的每个数据分组均在其分组头中携带其一个完整的、按序排列的路由信息。

(3)AODV

AODV是一种按需单径距离矢量无环路由，它结合了DSDV(destination-sequenced distance-vector)[17]中目标序列号和DSR中按需路由发现技术。算法分为路由发现和路由维护两部分。

A.路由发现

当源节点需要与其它节点通信但是没有到达目的节点的路由时，它就广播路由请求RREQ(Route Request)，当其它节点收到这个RREQ时，首先判断是否收到过具有相同源节点的目的节点的RREQ，如果是，则丢弃，如果不是，就利用RREQ中的信息建立反向路由。如果中间节点含有到目的节点的路由，就发送路由应答RREP(Route Reply)给源节点，否则就广播该RREQ。当RREQ的目的节点收到RREQ时，同样建立反向路由，然后向RREQ的源节点发送RREP。

B.路由维护

节点通过MAC(Media Access Control，介质访问控制)层周期性的广播hello消息来判断链路状态，如果该节点联系3次未收到hello响应消息，就认为链路已经断开，删除包含该链路的路由信息，并发起路由错误，通知相邻节点和相应的上游节点删除因链路断开而导致目的节点不可达的路由信息。

(4)SPIN

SPIN路由算法是最早的一类无线传感器路由算法代表，是对泛洪路由算法的一种改进，是以数据为中心的自适应路由算法。算法考虑到无线传感器网络中的邻近节点所感知的数据具有相似性，通过节点间的协商方式减少网络中传输的冗余数据量。节点广播其它节点所没有的数据，从而有效的减少能耗。

在SPIN算法中提出了元数据(meta-data，是对节点感知数据的抽象描述)的概念。元数据可以理解为对感知数据的映射，它是经过数据压缩的，比原始感知数据小，可以降低一部分在通信中的能耗。

SPIN算法采用三次握手的方式来实现数据交互，即ADV、REQ、DATA三种报文数据。ADV用于数据广播，当某节点有数据需要共享时，用ADV通知邻居节点；REQ用于请求发送数据，当某一个接收到ADV报文的节点希望接收DATA报文时，发送REQ报文；DATA用于感知数据，其荷载中包含经过处理的对应元数据。

SPIN算法有两种工作模式：SPIN1和SPIN2。SPIN2在SPIN1的基础上做了一些能量上的考虑，本质还是一样的。如图3所示，在SPIN1中，当节点A感知到新事件后，主动给邻居节点C广播描述该事件的元数据ADV报文，收到该报文的节点C检查自己是否拥有ADV报文中表述的数据，如图1(a)。如果没有的话，节点C向节点A发送REQ报文，报文中包含请求数据列表，如图1(b)。当节点A收到节点C的REQ报文，它将相关数据发送给节点C，如图1(c)。节点C给其邻居节点发送ADV报文，通知有新的数据到来，如图1(d)。节点A保存有ADV报文，所以不响应。算法按照这样的方式进行，实现SPIN1算法。如果收到ADV报文的节点发现自己已经拥有ADV报文中描述的数据，则不会发送REQ报文，如图1(e)中的节点E。

SPIN2模式考虑了节点剩余能量值，当节点的剩余能量低于某个阀值时，节点就不再参与报文的转发，仅接受来自邻居节点的报文和发送REQ报文。

SPIN算法通过节点间的数据协商，解决了Flooding算法和Gossiping算法中的内爆和重置现象。仿真数据表明，其能耗比上述两种算法降低一半以上。不过，该算法不合适于高密度节点的分布网络。

(5)SAR

SAR是第一个在无线传感器网络中保证QoS的主动路由算法。汇集节点的所有一跳邻节点都以自己为根创建生成树，在创建生成树过程中考虑节点的时延、丢包率等QoS参数以及最大数据传输能力，各个节点从反向建立了到汇集节点的具有不同QoS参数的多条路径。节点发送数据时选择一条或多条路径进行传输。该算法能提供QoS保证，但节点中的大量冗余路由信息耗费了存储资源，且路由信息维护、节点QoS参数与能耗信息的更新均需较大开销。

(6)定向扩散算法

定向扩散算法是一种基于查询的路由算法，它与数据相关，算法中引入了几个基本概念：兴趣、梯度和路径加强。整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立和路径加强三个阶段，如图2a-2c所示。定向扩散算法的路径建立过程是由Sink节点发起，Sink节点周期性的广播一种“兴趣”数据包，告诉网络节点它需要收集什么样的信息。这个过程称为兴趣扩散阶段，该阶段采用泛洪的方式传播Sink节点的“兴趣”消息到网络中的所有节点。在“兴趣”消息传播的过程中，算法逐跳在每个传感器节点上建立反向从数据源到Sink节点的梯度场，传感器节点将采集到的数据沿着梯度场传送到Sink节点，梯度场的建立根据成本最小化和能量自适应原则。“兴趣”扩散完成后，网络的梯度建立过程也就完成了。当网络中的传感器节点采集到相关匹配数据后，向所有感兴趣的邻居节点转发这个数据，收到该数据的邻居节点，如果不是Sink节点，采取同样的方法转发该数据。这样Sink节点会收到从不同路径上传送过来的相同数据，收到这些数据后，Sink节点会选择一条最优的路径作为强化路径，后续的数据沿着这条路径传输。

(7)GEAR

GEAR路由算法结合了DD算法和GPSR算法的思想，并且在选择路由时考虑了节点能量的因素。GEAR算法借鉴DD算法的思想，采用查询的方法建立从Sink节点到事件区域的路由，和DD算法采用泛洪式的方法不同，GEAR采用的是GPSR贪婪算法的思想，利用节点的地理位置信息以及节点能量剩余情况，建立查询消息到目的区域的路径。当查询消息到达目的区域后，查询消息采用一种迭代地理转发机制来发送。相关的检测数据沿着查询消息的反向路径汇集到Sink节点。GEAR路由算法需要保证链路的对称性，节点周期性地广播hello信息来告诉邻居节点自己的位置和能量信息，同时进行链路对称性的一些检查和判断工作。

GEAR算法需要解决两个问题：查询消息到事件区域的路径建立过程以及查询消息在事件区域内的传播过程。

A.查询消息到事件区域的路径建立

假设节点N需要将查询消息包发送到目标区域R，R的中心区域是D。N在为P选择下一跳时候，除了要考虑将P尽量发送给离R最近的邻居节点外，还要考虑邻居节点的能量消耗的平衡性问题。这其中包含一个实际代价和估计代价的概念。

每个节点M用h(M，R)表示自己到目标区域R的实际代价，当一个节点N不知道自己的邻居节点N_i的h(N_i，R)时，它计算估计代价c(N_i，R)作为h(N_i，R)的默认值，其计算方法如下：c(N_i，R)＝a*d(N_i，R)+(1-a)e(N_i)，式中a是一个可变权值；d(N_i，R)表示节点N_i到区域R的中心D的距离；e(N_i)表示节点N_i消耗的能量。

当节点N选择了下一跳邻居节点N_min后，它将自己的实际代价h(N，R)修改为h(N_min，R)+c(N，N_min)，其中c(N，N_min)表示消息包P从N传送到N_min的代价。当节点N的邻居节点中存在离目标区域更近的节点时，在这些节点中选择h(N_i，R)最小的节点作为下一跳。如果不存在离目标节点更近的邻居节点，就会出现路由空洞。

B.查询消息在事件区域内的传播

当查询消息到达目标区域后，可以通过泛洪方式传播到事件区域中的所有节点，但当事件区域内节点密度比较大时，泛洪方式的开销会比较大，GEAR针对这种情况提出了一种迭代地理转发策略。如图3所示，假设目标区域R是一个矩形区域，N_i为R中第一个接收到查询消息的节点。N_i将R划分为4个子区域(子区域的划分方式不唯一)，并向每个子区域转发查询消息。按照一定的原则选择子区域中某个节点接收该查询消息，子区域中被选中的节点继续按照上面的方法对其所在的子区域进行划分和查询消息的传播。该消息的传播过程是一个迭代过程，当节点发现自己是某个子区域内唯一的节点，或者某个子区域中没有节点存在时，停止查询消息的转发。当所有子区域转发过程全部结束时，整个迭代过程结束。

(8)低功耗自适应聚类路由算法

LEACH是一种低功耗的自适应路由算法，其基本思想是网络周期性的随机选择簇头节点，其它非簇头节点以就近原则加入相应簇头，形成虚拟簇。簇内节点将感知数据直接发送给簇头，由簇头转发给Sink节点，簇头节点可以将本簇内的数据进行融合处理，减少网络传输的数据量，如图4所示，给出了LEACH算法网络结构图。

簇头节点的选择依据网络中所需要的簇头节点数和迄今为止每个节点成为簇头的次数来决定。具体的选择方法是：每个传感器节点选择[0，1]之间的一个随机数，如果选定的值小于某一个阀值T(n)，那么这个节点就是簇头节点。在网络生存周期下，T(n)的计算如下：

$T\left(n\right)=\frac{k}{N-k[r*\mathrm{mod}(n/k)]}$

其中N表示网络中节点的个数，k表示网络中簇头节点数，r表示已经完成的周期数。选定簇头后，簇头节点通过广播告知整个网络自己成为簇头，网络中非簇头节点根据接收信号的强度决定从属于哪个簇，并通知相关簇头，然后簇头节点采用TDMA的方式为簇中节点分配传输时间片。

LEACH算法从传输数据的能量和数量上进行了优化，提高了网络的生存时间，但是也存在一些问题需要解决。例如，算法无法保证簇头节点能遍及整个网络，很可能出现被选的簇头节点集中在网络中的某一区域的现象。

(9)TEEN

TEEN是对LEACH改进的一种算法，主要针对LEACH算法的实时性提出一种解决方案，但TEEN算法不能实现周期性地采集数据。TEEN采用与LEACH相同的多簇结构和运行方式。不同的是，在簇的建立过程中，随着簇头节点的选定，簇头除了通过TDMA方式实现对节点的调度外，还向簇内成员广播有关数据的硬阀值和软阀值两个参数。硬阀值是被检测数据所不能逾越的阀值，软阀值则规定被测数据的变动范围。在簇的稳定阶段，节点通过传感器不断的感知器周围环境，当节点首次检测数据达到硬阀值，便打开收发器进行数据传送，同时将该检测值存入节点内部变量SV中。节点再次进行数据传送时要满足两个条件：当前的检测值大于硬阀值；当前的检测值与SV的差异大于等于软阀值。只要节点发送数据，变量SV便置为当前检测值。在簇重构的过程中，如果新一回合的簇头已经确定，该簇头将重新设定和发布以上两个参数。通过设置硬阀值和软阀值两个参数，TEEN算法能够大大减少数据传送的次数，比LEACH算法更节能。TEEN算法的优点是可以对突发事件作出快速反应。

(10)PEGASIS

这是在LEACH算法基础上建立的算法。它仍然采用动态选举簇头的思想，但为避免频繁选举簇头的通信开销，采用无通信量的簇头选举方法，且网络中所有节点形成一个簇，称为链。该算法要求每个节点都知道网络中其它节点的位置，通过贪婪算法选择最近的邻节点形成链。动态选举簇头的方法很简单：设网络中的N个节点都有1-N的自然数编号，第j轮选取的簇头是第i个节点，i＝j mod N(i为0时，取N)。簇头与汇集节点一跳通信，利用令牌控制链两端数据沿链传送到簇头本身，在传送过程中可以融合数据。当链两端数据都传送完成，开始新一轮选举和传输。该算法避免LEACH算法频繁选举簇头带来的通信开销以及自身有效的链式数据融合，极大减少了数据传输次数和通信量；节点采用小功率与最近距离邻节点通信，形成多跳通信方式，有效的利用了能量，与LEACH算法相比能大幅度提高网络生存时间。但单簇方法使得簇头成为关键点，其失效会导致路由失败；且要求节点都具有与汇集节点通信的能力；如果链过长，数据传输时延会增大，不适合实时应用；成链算法要求节点知道其它节点位置，开销非常大，如图5表示了PEGASIS算法沿链进行数据传输的情况。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种基于数据驱动链路估计的传感器网络实时路由方法，用于提高网络数据传输的实时性和降低网络的能量消耗。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于数据驱动链路估计的传感器网络实时路由方法，其特征在于，包括：

步骤1，本节点感知自己的地理位置信息，并将所述地理位置信息告知邻居节点；

步骤2，数据发送时，由上层接口部分生成数据报文和目的节点地址，数据报文转发时，由实时路径处理部分从MAC层获取网络层数据报文和目的节点地址；

步骤3，根据所述地理位置信息计算从本节点到目的节点的距离；

步骤4，根据所述地理位置信息，邻居节点计算邻居集中的节点到目的节点的距离，选择小于所述距离的邻居节点生成下一跳候选集；

步骤5，计算本节点到下一跳候选集中节点的路径速度；

步骤6，从符合所述路径速度条件的下一跳候选集中，随机选择一节点作为下一跳节点；

步骤7，将节点数据写入MAC层的数据帧；

步骤8，根据下一跳节点，发送数据报文给MAC层，接收所述数据帧，将从所述数据帧中获取的信息写入ACK帧并回传给发送节点；

步骤9，所述发送节点获取MAC层反馈的ACK帧或NACK帧，根据ACK帧计算并选择更新邻居集表中对应节点的延时、投递率、能耗，或者根据所述NACK帧计算并选择更新邻居集表中对应节点的投递率。

所述的传感器网络实时路由方法，其中，

所述步骤1中，还包括：

本节点通过广播的方式将该地理位置信息告知邻居节点。

所述的传感器网络实时路由方法，其中，

所述步骤1中，还包括：

在设定已获取自己的地理位置坐标时，本节点通过GPS、RSSI、TOA或TDOA的无线定位方式感知自己的地理位置信息。

所述的传感器网络实时路由方法，其中，

邻居集为本节点发送的无线信号大于或等于邻居节点的接收灵敏度阈值的节点的集合。

所述的传感器网络实时路由方法，其中，

下一跳候选集是邻居集，与以目的节点为圆心，本节点与目的节点距离为半径的圆或球的交集，该交集中所有本节点的邻居节点到目的节点的距离均小于本节点到目的节点的距离。

所述的传感器网络实时路由方法，其中，

每个节点包含一个邻居集表，表中每条记录代表一个邻居，包含识别符、位置、延时、能量、投递率字段。

所述的传感器网络实时路由方法，其中，

步骤5，计算根据实时性要求确定的预设速度，从下一跳候选集中剔除不满足该预设速度要求的下一跳节点。

所述的传感器网络实时路由方法，其中，

所述步骤6中，还包括：

随机选择速度矢量前5％中剩余能量高的节点中的一个作为下一跳节点。

所述的传感器网络实时路由方法，其中，

所述步骤7中，还包括：

以如下公式计算速度矢量：

${\mathrm{Speed}}_S^N=\mathrm{dis}\tan \mathrm{ce}\_V*{\mathrm{DeliveryRate}}_S^N/{\mathrm{HopDelay}}_S^N$

其中，是节点S到下一跳节点N的速度矢量，distance_V为节点S到目的节点D的距离，

是节点S到下一跳节点N的投递率，

是节点S与下一跳节点N之间的单跳延时值。

所述的传感器网络实时路由方法，其中，

所述步骤8中，以如下方式发送数据报文：

将邻居集表分为两部分，一部分单跳路径的速度大于或等于该预设速度，另一部分单跳路径的速度小于该预设速度，该预设速度与该节点的通信带宽和数据要求的实时性要求有关，初始值设定为源节点到目的节点的距离除以实时要求时间值，数据报文发送时路由只选择前一部分节点作为下一跳候选集；

下一跳节点选择只从节点的下一跳候选集中选择，优先选择速度矢量高的节点，若不存在该节点，则由该节点反馈信息给上一跳节点，更新上一跳节点的邻居集表。

所述的传感器网络实时路由方法，其中，

所述步骤9中，还包括：

将当前时间减去ACK帧中的时间戳后的差值作为一跳的延时值，以该延时值与邻居集中的延时值的指数采用加权移动平均值生成估计值，并以该估计值更新邻居集中的延时值。

所述的传感器网络实时路由方法，其中，

所述步骤9中，还包括：

通过所述ACK帧中节点的当前能量值更新邻居集表中对应节点的能量值。

所述的传感器网络实时路由方法，其中，

所述步骤9中，还包括：

通过将一跳中本次计算的投递率和邻居集表中的投递率的指数加权移动平均值作为更新值，更新邻居集表中的投递率。

所述的传感器网络实时路由方法，其中，

投递率为投递成功的次数和除以总投递次数。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：

优化传输路径、降低网络能耗是无线传感器网络路由协议设计的主要目标之一。本发明通过分析研究分层模型中的路由层和数据链路层，结合跨层设计的思想，提出一种以数据驱动链路估计为基础的软实时路由协议DDRT(Data-driven real-time protocol)，并通过对DDRT、AODV和DSR协议的仿真分析，可以看出DDRT路由协议方法有效地提高了数据传输的实时性，降低了网络能耗。具体体现如下几点：

1)软实时。传统的无线传感器网络针对实时性研究很少，在工业环境下，很多场合对实时性都有一定要求。在多跳情况下，由于多数无线信号收发器只能工作在半双工状态，收发数据只能串行化，对于链状拓扑其吞吐量下降近似服从函数O(1/n)，吞吐量的下降，严重影响实时性。同时信道干扰引发的重发的也是影响实时性的重要因素，所以要保证多跳环境下的实时性，从路由上本发明主要考虑降低无线传感器网络数据传输过程中源节点到目的节点的每跳延迟和提高投递率。

2)低能耗。能耗问题是制约无线传感器网络走向实际应用的一个重要约束。无线传感器网络节点通常要求极低的能耗，而其能量消耗主要集中在无线收发器的数据发送当中。据统计，传输1比特信息100米距离所消耗的能量相当于执行3000条计算指令。而能量的路径损耗近似为一个对数-距离模型，在距离d处接收到的信号强度符合公式，其中距离d大于参考距离d0，Pt为信号发射强度，工业环境下指数γ取值在2和3之间。所以为了降低节点能量消耗，本发明从路由上应该考虑如何降低网络节点间的冗余通信量，提高投递率。

3)可靠性高。通常无线传感器网络包含数量众多的传感器节点，它们彼此通过多跳无线信道，把数据传输到目的节点。因此，采用适当的可靠性保证机制显得尤其重要。影响可靠性主要因素是网络的拓扑结构、通信链路连接性和干扰大小。从路由协议研究端到端的可靠性保证的主要目的就是通过设计高投递率、低跳数的路径来确保传感器节点生成的数据报文能可靠地发送到目的节点。

4)避免网络黑洞。网络黑洞是指当中继节点接收到上一节点发送过来数据报文，无法转发到下一跳节点时，该中继节点形成一个网络黑洞。在一些实际应用的无线传感器网络中，由于网络拓扑分布和各节点能量消耗不平衡，较容易造成网络黑洞现象。要避免网络黑洞，从路由上考虑应该在网络黑洞形成后，避免选择已经形成网络黑洞的节点作为下一跳的节点。

此协议方法可广泛应用于实时性要求较高的传感器网络中，方法以实时性和能耗作为主要评价指标，符合实际的实时传感器网络应用系统要求。

附图说明

图1a-1f是PIN算法工作流程图；

图2a-2c是定向扩散路由机制；

图3是目标区域迭代地理转发示意图；

图4是LEACH算法网络结构图；

图5是PEGASIS算法沿链进行数据传输；

图6是本发明的基于数据驱动链路估计的实时路由协议方法结构图；

图7是本发明的基于数据驱动链路估计的实时路由协议方法流程图；

图8是本发明的S节点邻居集示意图；

图9是本发明的节点下一跳候选集示意图；

图10是本发明的数据驱动链路估计在本节点与邻居节点间关系图；

图11是本发明的网络黑洞节点示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图6所示，是本发明的基于数据驱动链路估计的实时路由协议方法结构图；该协议结构分为如下部分：

协议上层接口、地理位置感知、实时路径处理以及数据驱动链路估计。

协议上层接口部分实现路由协议和上层协议的接口，包括接收上层要传输的数据以及将接收到的数据传送给上一层。

地理位置感知部分确定自己的地理位置信息。

实时路径处理部分是主路由处理模块，它确定下一跳的选择后，把数据报文提交给MAC层。

数据驱动链路估计部分是为实时路径处理部分服务的，它的作用是根据邻居反馈过来的延迟、能耗、投递率计算邻居集表中的参数，为路由选择的决策提供支持。

如图7所示，为本发明的基于数据驱动链路估计的传感器网络实施路由方法具体实施例的流程图，该实施例包括以下步骤：

步骤1：节点(当前节点或本节点)感知自己的地理位置信息，并通过广播的方式将其地理位置信息告知邻居节点；

步骤2：数据发送时，上层接口部分生成数据报文和目的节点地址；数据报文转发时，实时路径处理部分从MAC层的净荷部分获取网络层数据报文和目的节点地址，该步骤为后续步骤执行的前提；

步骤3：根据地理位置信息，本节点计算从本节点到目的节点的距离；

步骤4：根据地理位置信息，邻居节点计算邻居集中的节点到目的节点的距离，选择小于本节点到目的节点距离的邻居节点生成下一跳候选集；

步骤5：计算根据实时性要求确定的预设速度；

步骤6：计算本节点到下一跳候选集中节点的路径速度，剔除不满足预设速度要求的下一跳节点；

步骤7：从步骤6中符合路径速度条件的下一跳候选集中，随机选择速度矢量前5％中剩余能量高的节点作为下一跳节点；

步骤8：将节点时钟值等节点数据写入MAC层的数据(DATA)帧；

该节点数据包括节点时钟值、MAC层源地址、目的地址，其中，节点时钟值是指路由协议提交数据报文给MAC层时的时间戳；

步骤9：根据下一跳节点，发送数据报文给MAC层，下一跳节点接收到数据帧后，获取数据帧中的时钟值，并写入ACK帧回传给发送节点；

步骤10：发送节点获取MAC层反馈的ACK帧或者NACK帧，根据ACK帧计算并选择更新邻居集表中对应节点的单跳延时、投递率、能耗等相关数据，或根据所述NACK帧计算并选择更新邻居集表中对应节点的投递率等相关数据。

协议实现方法包括上层接口、地理位置感知、实时路径处理、数据驱动链路估计四个部分，结合图6、7，对方法的实施方式详述如下。

1、上层接口

上层接口实现两部分功能：(1)接收上层发送过来的数据，确定数据发送的目的节点、数据报文序号，提交给实时路径处理部分；(2)接收实时路径处理部分提交的数据，并经过处理，发送给上层。

2、地理位置感知

协议需要节点的地理位置信息支持。协议初始化时，节点感知自己的地理位置信息后，通过广播的方式，通知邻居节点其地理位置信息。关于节点无线定位的方法，可使用GPS(Global Positioning System)、RSSI(Received Signal Strength Indicator)、TOA(Time Of Arrival)、TDOA(Time Difference of Arrival)等定位方法，假定节点已经获得并存储自己的地理位置坐标。

3、实时路径处理

这个部分包含如下三个相关的定义：

S节点邻居集(Neighbor Set，NS)：如图8所示，S节点邻居集包含所有的S节点无线信号覆盖范围内的节点的集合，即S节点(源节点)发送的无线信号大于或等于邻居节点的接收灵敏度阈值的节点。这个范围类似于一个以S节点位置为圆心，S节点无线电辐射距离为半径R的圆(球)，因为天线方向图以及干扰等因素的问题，不一定是个完整的圆(球)。

S节点下一跳候选集(Hopping Set，HS)：图9所示阴影部分即S节点到目的D节点的下一跳候选集，S节点下一跳候选集是S节点邻居集和以目的节点D为圆心，S节点与目的节点D距离为半径的圆(球)的交集。集合中所有S节点的邻居节点到目的节点D的距离均小于S节点到目的节点D的距离。

速度矢量是路径选择的基本变量，如图9所示，定义如下：

${\mathrm{Speed}}_S^N=\mathrm{dis}\tan \mathrm{ce}\_V*{\mathrm{DeliveryRate}}_S^N/{\mathrm{HopDelay}}_S^N$

其中，

是节点S到下一跳节点N的速度矢量，distance_V为节点S到目的节点D的距离，其值为节点N的坐标在直线SD上的投影点与节点S之间的距离，

是节点S到节点N的投递率，该值是后续邻居集表中提到的投递率，是节点S与节点N之间的单跳延时值，该值为邻居集表中对应节点的延时。

该部分中，节点S和下一跳节点N都包含一个邻居集表(Neighbor Set Table)，表中每条记录代表一个邻居，包含如下字段：识别符(NeighborID)、位置(Position)、延时(HopDelay)、能量(Energy)、投递率(DeliveryRate)。其中识别符为节点的唯一标识符，位置由地理位置感知部分确定，表示为节点的坐标值，延时、能量、投递率由数据驱动链路估计部分计算并反馈。

数据报文发送符合如下规则：

(1)邻居集表分为两部分，一部分单跳路径速度大于或等于预设速度，另一部分单跳路径速度小于预设速度。预设速度是一个系统参数，与该节点的通信带宽和数据要求的实时性要求有关，初始值设定为源节点到目的节点的距离除以实时要求时间值，数据报文发送时路由只选择前一部分节点作为下一跳候选集。

(2)下一跳节点选择只从节点下一跳候选集中选择，优先选择速度矢量高的节点。若不存在这样的节点，则由该节点反馈信息给上一跳节点，更新上一跳节点邻居集表，避免下一次继续选择该节点作为下一跳节点。

4、数据驱动链路估计

数据驱动链路估计部分的设计主要依托于网络中MAC层协议和路由协议中的邻居集表，通过对网络中MAC层协议各种帧和函数的修改，实现延时估计、投递率估计、能耗反馈等协议需求数据，并记录在邻居集表中，如图10所示。

4.1延时估计

延时估计是一种通过延时反馈的估计策略，用以判断网络局部的通信负载状况，解决实时性问题和网络拥塞问题。协议实现延时反馈是通过报文捎带的方法进行测量的：发送节点把数据报文提交给MAC层后，经过RTS-＞CTS-＞DATA-＞ACK完成帧发送，协议在DATA帧中加上路由协议提交数据报文给MAC层时的时间戳后发送；邻居节点接收到DATA帧后，获取DATA帧中的时间戳，并写入ACK帧回传给发送节点；发送节点收到邻居节点发送的ACK帧后，用当前时间减去DATA帧中的时间戳，就可以获得这一跳的延时。当更新邻居集表中节点的延时值时，采用这一跳计算的延时值和原来的延时值的指数加权移动平均EWMA(Exponential Weighted Moving Average)值来生成估计值。

4.2网络黑洞反馈

如图11所示，节点2在接收到节点1发送过来的数据报文后，发现自己到目的节点4没有下一跳节点集，此时节点2需要向节点1反馈一个0延时值(见3.4.1延时估计，修改ACK帧中的时间戳为0)，以表明自己是网络黑洞。当节点1生成到节点2的延时估计值时，将产生一个比较大的延时估计值。所以，节点1在选择下一跳节点传送数据报文到节点4时，选择节点2的概率大大降低。

4.3能耗反馈

能耗反馈是一种维护传感器网络节点能量平衡的策略。节点在接收到上一跳节点传来的数据报文后，在回复的ACK帧中捎带该节点当前能量值。上一跳节点在收到ACK帧后，更新邻居集表中对应节点的能量值。上一跳节点在保证实时性符合要求的情况下优先选择下一跳候选集中能量值高的那部分节点作为数据报文发送的策略。

4.4投递率估计

投递率是实时路由选择的一个重要参数，它可以直接反映节点间通信链路的质量。节点在发送数据报文给MAC层后，等待MAC层反馈回来的ACK帧或者NACK帧来计算投递率，返回ACK帧表示DATA帧投递成功，返回NACK帧或者无返回表示DATA帧投递失败，需要重新选择下一跳路径。投递率定义为投递成功的次数和除以总投递次数。当更新邻居集表中节点的投递率时，采用这一跳本次计算的投递率和原来投递率的指数加权移动平均值来表示。

本发明以提高实时性和降低能量消耗作为出发点，通过对传统路由协议的分析，通过提取MAC相关信息，提出了一种基于数据驱动链路估计的实时路由协议DDRT。通过仿真研究，该协议有效的改善了网络的实时性和能耗。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (14)

1.一种基于数据驱动链路估计的传感器网络实时路由方法，其特征在于，包括：

步骤1，本节点感知自己的地理位置信息，并将所述地理位置信息告知邻居节点；

步骤2，数据发送时，由上层接口部分生成数据报文和目的节点地址，数据报文转发时，由实时路径处理部分从MAC层获取网络层数据报文和目的节点地址；

步骤3，根据所述地理位置信息计算从本节点到目的节点的距离；

步骤4，根据所述地理位置信息，邻居节点计算邻居集中的节点到目的节点的距离，选择小于所述距离的邻居节点生成下一跳候选集；

步骤5，计算本节点到下一跳候选集中节点的路径速度；

步骤6，从符合所述路径速度条件的下一跳候选集中，随机选择一节点作为下一跳节点；

步骤7，将节点数据写入MAC层的数据帧；

步骤8，根据下一跳节点，发送数据报文给MAC层，接收所述数据帧，将从所述数据帧中获取的信息写入ACK帧并回传给发送节点；

步骤9，所述发送节点获取MAC层反馈的ACK帧或NACK帧，根据ACK帧计算并选择更新邻居集表中对应节点的延时、投递率、能耗，或者根据所述NACK帧计算并选择更新邻居集表中对应节点的投递率。

2.根据权利要求1所述的传感器网络实时路由方法，其特征在于，

所述步骤1中，还包括：

本节点通过广播的方式将该地理位置信息告知邻居节点。

3.根据权利要求1或2所述的传感器网络实时路由方法，其特征在于，

所述步骤1中，还包括：

在设定已获取自己的地理位置坐标时，本节点通过GPS、RSSI、TOA或TDOA的无线定位方式感知自己的地理位置信息。

4.根据权利要求1所述的传感器网络实时路由方法，其特征在于，

邻居集为本节点发送的无线信号大于或等于邻居节点的接收灵敏度阈值的节点的集合。

5.根据权利要求1所述的传感器网络实时路由方法，其特征在于，

下一跳候选集是邻居集，与以目的节点为圆心，本节点与目的节点距离为半径的圆或球的交集，该交集中所有本节点的邻居节点到目的节点的距离均小于本节点到目的节点的距离。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的传感器网络实时路由方法，其特征在于，

每个节点包含一个邻居集表，表中每条记录代表一个邻居，包含识别符、位置、延时、能量、投递率字段。

7.根据权利要求1、2、4或5所述的传感器网络实时路由方法，其特征在于，

步骤5，计算根据实时性要求确定的预设速度，从下一跳候选集中剔除不满足该预设速度要求的下一跳节点。

8.根据权利要求1、2、4或5所述的传感器网络实时路由方法，其特征在于，

所述步骤6中，还包括：

随机选择速度矢量前5％中剩余能量高的节点中的一个作为下一跳节点。

9.根据权利要求8所述的传感器网络实时路由方法，其特征在于，

所述步骤7中，还包括：

以如下公式计算速度矢量：

${\mathrm{Speed}}_S^N=\mathrm{dis}\tan \mathrm{ce}\_V*{\mathrm{DeliveryRate}}_S^N/{\mathrm{HopDelay}}_S^N$

其中，

是节点S到下一跳节点N的速度矢量，distance_V为节点S到目的节点D的距离，

是节点S到下一跳节点N的投递率，

是节点S与下一跳节点N之间的单跳延时值。

10.根据权利要求6所述的传感器网络实时路由方法，其特征在于，

所述步骤8中，以如下方式发送数据报文：

将邻居集表分为两部分，一部分单跳路径的速度大于或等于该预设速度，另一部分单跳路径的速度小于该预设速度，该预设速度与该节点的通信带宽和数据要求的实时性要求有关，初始值设定为源节点到目的节点的距离除以实时要求时间值，数据报文发送时路由只选择前一部分节点作为下一跳候选集；

下一跳节点选择只从节点的下一跳候选集中选择，优先选择速度矢量高的节点，若不存在该节点，则由该节点反馈信息给上一跳节点，更新上一跳节点的邻居集表。

11.根据权利要求1、2、4、5、9或10所述的传感器网络实时路由方法，其特征在于，

所述步骤9中，还包括：

将当前时间减去ACK帧中的时间戳后的差值作为一跳的延时值，以该延时值与邻居集中的延时值的指数采用加权移动平均值生成估计值，并以该估计值更新邻居集中的延时值。

12.根据权利要求1、2、4、5、9或10所述的传感器网络实时路由方法，其特征在于，

所述步骤9中，还包括：

通过所述ACK帧中节点的当前能量值更新邻居集表中对应节点的能量值。

13.根据权利要求1、2、4、5、9或10所述的传感器网络实时路由方法，其特征在于，

所述步骤9中，还包括：

通过将一跳中本次计算的投递率和邻居集表中的投递率的指数加权移动平均值作为更新值，更新邻居集表中的投递率。

14.根据权利要求13所述的传感器网络实时路由方法，其特征在于，

投递率为投递成功的次数和除以总投递次数。

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